最詳細的LM741運算放大器功能原理圖透徹分析,千萬不要錯過了!

2020-11-29 電子製作站

終於到了大決戰的時刻,這一節我來分析一下運算放大器LM741功能模塊原理框圖(Functional Block Diagram)中的鏡像電流源。

其實,經過上一節的常用電流源電路的介紹,很多讀者已經發現了一個規律:鏡像電流源電路中至少有一個三極體的基極與集電極是連接在一起的。自己找找就行了,但是天黑路難走,為了多數新人的安全起見,我們還是一起來瞧瞧。

下圖標註了該運放原理框圖的大致功能:

LM741運放主要由電流源偏置、差分輸入級、中間放大級、推輓輸出級幾個部分構成,其中包含一些保護電路與頻率補償電路,這裡沒有細分出來,因為我們主要是討論電流源,對運放其它部分有興趣的讀者,可以參考相關的文章。

有人說:老師你也太不靠譜了吧,洒家搬個凳子坐在這裡就是為了看決戰的。但是,我想說的是:對於新人而言,這個電路裡最不好分析的就是電流源,也是壓軸戲,其它電路一般都可以看得懂,因此我們就不再畫蛇添加足了,如果其它電路你也看不懂,可以參考運放相關文章。

本電路包含有如下圖所示幾個電流源,如下圖所示:

如圖所示的有四個鏡像電流源,包括一個微電流源、兩個基本鏡像電流源、一個比例式鏡像電流源,下面我們分別描述如下:

(假設所有三極體的發射結正向壓降VBEQ=0.75V,正電源V+=15V,負電源V-=-15V)

1、微電流源:前面我們提過,微電流源的作用是給系統提供微安級電流,本電路中它由三極體Q10、Q11及電阻R5組成,其參考電流IR5路徑為:

可以計算:

而輸出電流IC10按公式計算,則有:

則有IC10=19uA,如下圖所示:

2、基本鏡像電流源1: 老師,這個我來講!Q8與Q9組成一個基本鏡像電流源,因此有IC8=IC9=IC10=19uA(忽略Q3、Q4基極電流),由於基本鏡像電流源作為差分放大器的集電極電阻,相當於有源負載,可以大幅度提升差模電壓增益,間接改善共模抑制比,如下圖所示(說完還給了我一個勝利的手勢)

你真是太有才了,令人擊節讚賞!相信大家也比較贊同這個說法,But,我有三個問題想請教你一下:

其一:三極體Q8、Q9的確如你所說是一個基本鏡像電流源,但是上一節一開始我們就提醒過:要注意區分參考電流與輸出電流!在這個電流源裡,Q8集電極電流IC8是參考電流,Q9集電極電流IC9是輸出電流,而Q10集電極電流IC10也是微電流源的輸出電流,也就是說,微電流源與這個基本鏡像電流源都是提供電流的,怎麼到你這就理解成了是:基本鏡像電流源的參考電流是Q10集電極電流IC10,然後Q8集電極電流IC8是Q9集電極電流IC9的鏡像電流,因此IC8=IC9=IC10,神馬情況?

其二:這個基本鏡像電流源怎麼就成了差分放大器的集電極電阻了?如果我沒有看錯的話,對於差分放大電路來講,這個鏡像電流源就相當於是個二極體,如下所示:

其三:就算這個基本電流源是集電極的電阻,那它又怎麼可以提升差模電壓增益了?我們上一節分析的差分放大電路是共發射極電路,但是這裡是共集電極差分放大電路,輸出取自於Q4的集電極(相當於是Q2的發射極)。對於共集電極放大電路,集電極電阻過大可不是件好事情呀!所以不要看到表相就以為是本質呀。

這個鏡像電流源電路主要作用是:為差分輸入電路提供恆流偏置,也就是提供尾電流Ibias(與上節所述的尾電流功能一致,只不過尾電流源是連接在發射極的)。

它與微電流源組成一個負反饋,其原理如下:當外部有共模輸入電壓時,差分對管兩側將引起IC1與IC2的同時上升,即IC8上升,而IC9是IC8的鏡像電流,因此將引起IC9上升,由於IC9+IBE3+IBE4=IC10,同時IC10恆定不變,所以Q3與Q4的基極電流(IBE3+IBE4)下降,繼而促使IC1與IC2下降,從而阻止了IC1與IC2的上升趨勢。

這個負反饋其實與共發射極差分放大電路中的尾電流原理是一致的,也就是可以抑制共模信號,從而間接提升共模抑制比。沒錯,你這點說得沒錯,只不過不是以你所說的方法提升的!

那麼,尾電流源的值(IC8)是多少呢?這次你又說對了,確實是19uA,只不過不是以你說的這種方法過來的,是通過負反饋將其穩定在IC10的。在電路靜態時,差分輸入級有一個穩定的靜態工作點,通過一系列負反饋後將IC8的值穩定在約19uA。

3、比例式鏡像電流源:由Q5、Q6、Q7、R1、R2、R3組成的比例式鏡像電流源,通過R1、R2來調節參考電流IC5與輸出電流IC6的比值,這裡R1與R2的電阻值是一樣的,因此IC5與IC6是一致的,沒有電流比例的設置作用,主要是用來提高電流源的內阻(這一點可以參考上一節)。

三極體Q7直流放大倍數β很大,用來進一步縮小IC5與IC6的誤差,因此其基極電流IB7可以忽略,則有IC3=IC4。電阻R3用來設置足夠的電流使Q7的放大倍數足夠大(因為Q7的工作電流小會影響本身的放大倍數β)

由於差分輸入放大級是對稱的,因此IC3=IC4均為尾電流IC8(19uA)的一半(不管電路對不對稱,這個比例式鏡像電流源總會試圖將兩側的電流對半分),即有IC3=IC4=9.9uA ,如下圖所示:

4、基本鏡像電流源2:眾位看官看好了,這個電流源才是真正的有源負載,由三極體Q12與Q13組成,作為中間放大級(Q15與Q17組成的共集電極-共發射極放大電路,也可以看成是複合管/達林頓管)的有源負載,可以提升其放大倍數。

該鏡像電流源的參考電流也是IR5,則IC13=IR5=730uA(Q14也有一定的基極電流,此處忽略),靜態時其電流通過R7、R8、Q18(沒有標號,暫定為Q18),我們假設VBE18為0.75V,則IR8=(0.75V/7.5K)=100uA,忽略其基極電流IB18,則IR7為100uA*4.5K=0.45V,則VB14-VB20 = 0.45V+0.75V = 1.2V ,如下圖所示:

這個電壓主要使Q14與Q20處於微導通狀態,用來消除AB類輸出級的交越失真。

到現在,該電路中可以確定的參數如下圖所示:

至於78XX三端穩壓器原理圖分析,可參考《串聯型穩壓電路》相關文章 ,此處不再贅述

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